面向对象Fortran的到来(1)——《程序员》

zhangzhipeng

1. 不断变革的Fortran

2004年5月，Fortran 2003，这个新世纪里诞生的Fortran语言新标准，终于在ISO、IEC的联合工作组JTC1/SC22/WG5以及美国Fortran委员会 NCITS/J3的共同努力下，走完了编撰、修订的最后一步。不出意外的话，再过一两年，支持Fortran 2003的[url=]开发[/url]工具就会充斥Fortran世界；那些仍在坚守Fortran 77阵地的老用户们也会自然而然地把质疑的目光从Fortran 90/95投向更富有革命精神的Fortran 2003。

要了解Fortran 2003，我们有必要先简单回顾一下Fortran语言的[url=]历史[/url]。

1954到1957年间，世界上第一种高级程序设计[url=]语言[/url]——Fortran诞生于IBM公司。Fortran这个名字的原意是IBM Mathematical FORmula TRANslation，其设计目的在于为科研人员提供一种符合[url=]数学[/url]思维习惯的高级语言，以满足[url=]科学[/url]计算的需要。1960年代，在美苏太空竞赛的大背景下，在国防、教育和科研领域对高性能计算工具的迫切需求下，Fortran语言蓬勃发展，成为了当时统治计算机世界的高级语言之王。

1962年，为了统一不同公司、不同硬件平台上的Fortran语言，人们开始了Fortran语言标准化的尝试，这也是程序设计语言发展史上的第一次标准化历程。1972年，Fortran 66标准（标准编号来自标准草案的制定时间）正式发布。但因为标准文档过于简单，约束力不强，Fortran 66标准发布后，Fortran语言的统一问题并没有得到彻底解决。

1978年，Fortran语言标准的第一个修订版本正式发布，这就是我们熟悉的Fortran 77了。Fortran 77细致描述了Fortran语言的各种特征，让Fortran成了一种真正规范、高效和强大的结构化程序设计语言。此后，无数性能优异的Fortran 77编译器和开发工具的问世更是让Fortran 77成为了几乎所有理工科学生的必修课。

尽管Fortran 77的影响力一直延续到了今天，但Fortran语言不断变革的历程却从未停止过。为了改变Fortran 77那种老旧的、从打孔卡片遗传来的语言风格，为了给Fortran注入更多的现代特征，人们于1991年发布了崭新的Fortran 90标准。除了自由的代码风格外，Fortran 90还为Fortran语言引入了模块、接口、自定义（派生）数据类型和运算符、可动态分配和参与复杂运算的数组、泛型过程、指针、递归等重要的语法特征。这不但使结构化的Fortran语言更趋完善，也使其具备了少量的面向对象特性。

1997年发布的Fortran 95标准在Fortran 90的基础上，吸收了HPF语言（High Performance Fortran，Fortran语言在并行环境下的一个变种）的优点，提高了Fortran语言在并行任务中的表达和计算能力，并进一步完善了派生类型、指针、数组等要素的相关语法。

以Fortran 66为基准，我们可以把后续的Fortran 77/90/95以及本文介绍的Fortran 2003均视为对Fortran语言标准的修订。在历次修订中，Fortran 77和Fortran 95是修订幅度相对较小的版本，而Fortran 90和Fortran 2003则是锐意变革的“大修”版本。如果说Fortran 90是在“形式”上让Fortran脱胎换骨的话，那么，Fortran 2003就近乎彻底地解决了Fortran语言[url=]现代化[/url]的问题：完整的面向对象机制、灵活的语法特征、统一的接口标准……这些难道还不足以让Fortran 迷们跃跃欲试吗？

zhangzhipeng

2. 面向对象的Fortran

从结构化程序设计到面向对象，这是大多数高级语言的发展、演变规律，Fortran也未能免俗。在Fortran 77中，由于缺乏对数据抽象和数据封装的基本支持，人们很难引入面向对象的理念和方法。在Fortran 90/95中，尽管我们可以用派生类型（Derived Type）和模块（Module）模拟一部分面向对象的特性，但却无法实现真正意义上的封装和继承。

对数据和相关操作的封装是面向对象的基础。传统的结构化程序设计语言大多拥有简单的数据封装能力（如Pascal语言中的record），但缺乏对操作封装的支持。当我们为结构化程序设计语言引入面向对象机制时，在语法层面一般有两种思路：一种是引入一个全新的语法容器，允许用户借助该容器定义出封装了数据和操作的统一数据类型，例如，C++在C语言的基础上扩展出了class的概念，并以class为中心支持面向对象[url=]编程[/url]；另一种是通过某种机制，将原有的数据封装容器和表述操作的过程或函数捏合在一起，例如，Ada 95利用Ada 83中已有的概念，将private type和相关操作封装在package中，创建了完整的面向对象机制。Fortran 2003对Fortran 90/95的改造正是遵循着后一种思路进行的。

首先，Fortran 2003第一次引入了过程指针（Procedure Pointer）的概念。Fortran 90/95只支持普通指针。为了实现回调机制，Fortran 90/95特意引入了用过程名充当形式参数（Dummy Procedure）的语法，但这种语法还无法解决在数据类型中内嵌相关操作的问题。在Fortran 2003中，我们可以使用过程指针将数据和操作绑定在一起：

TYPE point
REAL :: x, y
PROCEDURE (testif), POINTER :: test
END TYPE

这种绑定是一种运行时的动态绑定，我们可以根据需要为过程指针赋值，这类似于我们在C语言的struct中嵌入函数指针。

其次，如果与类型相关的操作在编译时已经预知，我们就可以直接使用Fortran 2003提供的类型绑定过程（Type-bound Procedure），将数据和操作关联在一起：

TYPE point
REAL :: x, y
CONTAINS
PROCEDURE :: test => my_test
END TYPE

这样，在同一个模块中，类型和相关操作相互关联，用户可以直接使用CALL p1%test或类似的代码来访问特定操作，这已经非常近似于Ada 95的封装机制了。

和C++或Java语言相比，Fortran 2003的这种过程绑定方式较为靠近语言设计的底层。例如，对于绑定在point类型中的my_test过程，我们必须显示指明，该过程的第一个参数为point类型：

SUBROUTINE my_test(a)
TYPE(point), INTENT(IN) :: a
END SUBROUTINE

这里的参数a相当于C++或Java方法中隐含的this参数，其目的是将调用该操作的对象实例传入过程。我把这种显示实现this参数的做法称为 “赤裸裸的面向对象”。尽管写起来稍嫌繁琐，但这种“赤裸裸”的做法也有不少好处。例如，我们可以在Fortran 2003中使用NOPASS属性禁止传递对象实例，或通过PASS属性改变对象实例参数在过程参数表中的位置。

Fortran 90/95已经允许用户自定义运算符过程。现在，Fortran 2003则进一步允许用户将运算符过程绑定到特定的类型，其方法和绑定普通过程类似：

TYPE point
REAL :: x, y
CONTAINS
GENERIC :: OPERATOR(+) => plus
GENERIC :: ASSIGNMENT(=) => assign
END TYPE

有了完善的数据和操作封装机制，Fortran 90/95中简单的访问权限控制属性——PRIVATE和PUBLIC就不能满足要求了。Fortran 2003扩展了PRIVATE和PUBLIC的使用范围，允许PRIVATE类型中出现PUBLIC成员，同时又增加了PROTECTED属性，以限定某个成员的取值只能由自己所属的模块修改。

Fortran 2003增强了派生类型的初始化和构造语法。尽管我们在Fortran 2003中还不能像在C++里那样随心所欲地定义各种构造函数，但仍可以较精确地控制对象的初始化过程。此外，Fortran 2003允许我们为类型定义终结子例程（Final Subroutine），以完成对象销毁时的清理工作。终结子例程可以定义多个，像这样：

TYPE point
REAL :: x, y
CONTAINS
FINAL :: finish1, finish2
END TYPE

在Fortran 2003中，继承机制是通过类型扩展（Type Extension）实现的。相关的语法和大多数面向对象语言的继承机制没有什么不同：

TYPE, EXTENDS(point) :: funny_point
LOGICAL :: funny = .TRUE.
END TYPE

在扩展类型中，可以直接通过基类型的名称来引用基类型的成员，这类似于C++中引用基类成员的语法。

单从封装和继承这两个层面看来，Fortran 2003对Fortran 90/95的扩展就是革命性的。当年，Fortran 90刚问世的时候，许多人迫不及待地宣称Fortran已经是面向对象的语言了。殊不知，Fortran 90/95中的面向对象机制还不如Visual Basic 6.0中的类模块（Class Module）来得成熟，更不要说与真正面向对象的Fortran 2003相提并论了。

zhangzhipeng

在刚接触Fortran时便担心，因为其虽在数值计算方面有得天独厚的优势，但却普及甚低，都只是实验室中，已经绝顶的老科学家们在敲敲打打着使用，会不会走到灭绝的地步。担心的原因更包括其在制作界面，以及软件包方面的缺陷，而缺乏美观。但综合而言，最大的缺陷，还在于Fortran语言的陈旧过时，面向对象终将统治世界，在C＋＋与Java的凯歌高奏之下，Fortran也只能做没落贵族了。

但最近发现Fortran2003的终极革命，让我兴奋不已。虽然像我这种土人，最近才发现这一改革的重要性，但秉承真理至上的原则。还是将这篇文章贴出来，以便对Fortran的再次兴旺做出促进，并期待权威兼容Fortran2003编译器的早日到来，为Fortran再次君临天下，做好全部的准备。

维尼猴

Fortran2003 2008 什么的都引入些新特性，也不断在向面向对象的思路靠拢，但我个人感觉Fortran的优势还是在于计算，比如说到搭各种接口、继承各种属性，我用Python之类很省心的语言做调用多好~或者再向低层靠拢些，用C++之类，为什么偏要用Fortran来做呢？
我觉着这也是现在很多地方不用Fortran的一个原因吧，纵使后续的设计逐步增添了这些功能，但明显比不上一些本来在发展时就有次想法的各种后起之秀